Обоснование методики выбора мощности электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме: На примере автомобилеподъемника зерноперерабатывающих предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Злыднев, Павел Владимирович

• Злыднев, Павел Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Злыднев, Павел Владимирович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Выбор рационального электропривода на примере автомобилеподъемника.

1.2. Анализ существующих методов определения номинальной мощности электродвигателей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование методики выбора мощности электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме: На примере автомобилеподъемника зерноперерабатывающих предприятий»

Целью проводимой в России экономической реформы, призванной совершенствовать экономические отношения, реально считать повышение эффективности производственной сферы, и, соответственно, улучшение социально-экономического положения общества. Одним из аспектов, способных реально повысить эффективность производства, следует признать реализацию модернизированной техники и передовых технологий, что в соответствии с другими факторами призвано повысить эффективность отраслей АПК, в том числе и сельского хозяйства. В настоящее время выдвинулась в разряд первостепенных проблема укрепления материально-технической базы сельского хозяйства, назрела необходимость совершенствования и развития энергетики, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства, а вместе с тем и экономии энергоресурсов. В процессе реализации энергосберегающей политики и осуществления мероприятий по рациональному и экономному использованию энергоресурсов значимая роль отводится внедрению энергосберегающих технологий.

Технический уровень средств электрификации и автоматизации производственных процессов во многом определяет экономическую эффективность применения их в сельскохозяйственном производстве. Уровень технического совершенства тех или иных технических средств оценивается системой показателей: производительностью, КПД, мощностью, долговечностью, безотказностью, степенью унификации и т.д. Одними из основополагающих в системе электрификации и автоматизации производства признаны показатели надежности, заметно влияющие на производительность, КПД и экономическую эффективность применения прогрессивных технических средств. Выход из строя технологического и электротехнического оборудования повлечет за собой нарушение технологического процесса, недовыпуск продукции, нерациональное расходование трудовых и материальных ресурсов, увеличение затрат на ремонт и содержание техники.

В современных условиях наука и техника предлагают сельскохозяйственному производству широкий ассортимент технических средств, поэтому в практике хозяйствования при техническом оснащении или проектировании и сооружении новых объектов приходится решать задачу, обусловленную экономически оправданным выбором того или иного варианта технического решения (исходя из конкретных производственных условий).

Реализация экономически выгодного варианта призвана обеспечить экономию общественного труда, рост объемов производства и повышение качества продукции, снижение трудовых и материальных ресурсов.

Надежность и экономическая эффективность применения электротехнического оборудования обусловлены, в значительной степени, правильностью его выбора для тех или иных технологических процессов и рабочих машин. Особенно это имеет большое значение при выборе электродвигателей, являющихся основой электропривода производственных рабочих механизмов.

Главным критерием при выборе электродвигателя рабочей машины является его номинальная мощность. Завышенное значение номинальной мощности по сравнению с необходимым, может обернуться не меньшими издержками, чем недооценка реальной загрузки электродвигателя. Рациональное обоснование и выбор оптимальной мощности электродвигателей позволяет снизить первоначальные затраты, уменьшить потери, эксплуатационные расходы, повысить коэффициент мощности установки и надежность системы электродвигатель - рабочая машина.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение коэффициента мощности установки и эффективности системы электродвигатель - рабочая машина, за счет уточненной методики расчета и выбора мощности электродвигателей сельскохозяйственных машин, работающих в повторно-кратковременном режиме, которая будет включать в себя как определение необходимой мощности, так и проверочный расчет температуры нагрева обмотки выбранного электродвигателя.

Объектом исследований в диссертации служит асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, работающий в системе электродвигатель - рабочая машина. В качестве примера рабочей машины рассмотрен автомобилеподъемник.

Предметом исследования в диссертации является закономерность изменения температуры электродвигателя от времени работы, в зависимости от загрузки и продолжительности включения.

Реализация цели сводится к решению следующих основных задач:

- разработка математической модели тепловых процессов в асинхронном электродвигателе при различных режимах работы, позволяющей рассчитывать температуру нагрева обмотки статора;

- разработка уточненной методики определения необходимой мощности электродвигателя, исходя из условия его нагрева;

- проверка предлагаемой методики, на основе лабораторных и производственных исследований процессов нагрева электродвигателя в продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы;

- определение условий и области применения предлагаемой методики.

Научная новизна работы заключается в том, что исследования тепловых режимов электродвигателей проводятся с использованием теории эквивалентных тепловых схем и с созданием математической модели тепловых процессов электродвигателя.

Практическая значимость исследования состоит в рациональном выборе электропривода сельскохозяйственных машин с точки зрения нагрева и дальнейшем развитии теории электропривода в разделе выбора мощности электродвигателей.

Работа выполнена на кафедре применения электрической энергии в сельском хозяйстве Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Челябинский государственный агроинженерный университет».

Диссертация состоит из пяти глав.

В первой главе рассмотрены факторы, влияющие на выбор рационального электропривода. Проведен анализ существующих методов определения номинальной мощности электродвигателей, их достоинств и недостатков при выборе номинальной мощности электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, исходя из нагрева. Исходя из приведенных недостатков существующих методик, показана необходимость разработки новой уточненной методики.

Во второй главе проведено теоретическое исследование тепловых процессов в электродвигателе. Нами впервые составлена новая, отличная от существующих, эквивалентная тепловая схема замещения электродвигателя, на основе которой получены системы дифференциальных уравнений, описывающие его нагрев. Определена последовательность действий при выборе мощности электродвигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме.

В третьей главе приведена разработанная методика проведения экспериментов первого и второго этапов исследования процессов нагрева электродвигателя в продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы, методика математической обработки результатов эксперимента.

В четвертой главе даны результаты и анализ исследования на нагрев электродвигателей лабораторной установки и рабочей машины. По составленным в работе системам дифференциальных уравнений и по уравнениям классической теории получены математические модели нагрева электродвигателя. Рассчитанные при помощи математических моделей, кривые нагрева электродвигателя, сравнивались с полученными экспериментально. Сделан вывод о преимуществе предлагаемой методики по сравнению с классической.

В пятой главе приведен порядок и результаты расчета экономической эффективности предлагаемой методики выбора оптимальной мощности электродвигателей. Подтверждена целесообразность применения разработанной методики. Определены области практического применения предлагаемой методики.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Злыднев, Павел Владимирович

Результаты работы приняты к внедрению в ОАО «Челябинский комбинат хлебопродуктов №1», ОАО АТП «Лукойл-Транс» (Ильинская колонна), СКП «им. Никольского», Ильинском МУЛЛ «Теплоэнерго», МУЛ «Ильинское ЖКХ» (Пермская обл.) в 2004 г. (см. приложение).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ существующих методов определения номинальной мощности электродвигателей показал, что применяемые методы расчета и выбора оптимальной мощности электродвигателей имеют ряд недостатков, которые могут приводить к существенным просчетам, особенно в повторно-кратковременном режиме работы. В работах, посвященных усовершенствованию данных методов, нет рекомендаций по выбору номинальной мощности электродвигателей исходя из графика нагрузки и допустимой температуры нагрева, расчет температуры нагрева проводится при усреднении материала тепловой модели электродвигателя или при необходимости получения экспериментальных данных, что требует проведения дополнительных экспериментально-теоретических исследований для возможности практического использования этих работ. В связи с вышеизложенными соображениями, появилась необходимость в разработке новой, уточненной методики выбора номинальной мощности электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме.

В результате теоретических исследований получены системы дифференциальных уравнений, позволяющие осуществить точный и упрощенный расчет температуры нагрева элементов электродвигателя в продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы.

Предложена новая методика выбора необходимой мощности электродвигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, с обоснованием проверочного расчета на нагрев по полученным аналитическим выражениям. При определении необходимой мощности электродвигателей, в соответствии с проведенными исследованиями, предлагается выбирать ближайшую к расчетной из стандартного ряда мощностей, даже если ближайшей мощностью окажется меньшая, с последующей проверкой температуры обмотки статора.

Проведенные исследования позволили сделать следующие научные и практические выводы:

1. Применяемые методы расчета температуры электродвигателей имеют ряд недостатков, которые могут приводить к неточной оценке состояния нагрева обмотки статора, особенно в повторно-кратковременном режиме работы. В результате чего возможен выбор электродвигателя завышенной номинальной мощности, что оборачивается не меньшими издержками, чем недооценка реального уровня температур.

2. Эквивалентная тепловая схема замещения электродвигателя, состоящая из пяти однородных элементов, позволяет определить температуру каждого элемента в различных режимах работы при помощи систем дифференциальных уравнений, решаемых относительно температуры обмотки статора как наиболее уязвимого элемента.

3. Предлагаемая методика выбора необходимой мощности электродвигателей в отличие от существующих учитывает действительную загрузку электродвигателя с конкретным к.п.д., ухудшение условий охлаждения во время паузы, переменные и постоянные потери. Проверка температуры проводится на основе разработанной тепловой схемы.

4. Значения температуры нагрева, рассчитанные по предлагаемой методике, значительно точнее значений, рассчитанных при помощи классической теории нагрева, по отношению к данным, полученным экспериментальным путем. Так, для лабораторного электродвигателя значение температуры, рассчитанное при помощи полученных математических моделей, превышает экспериментально измеренное значение температуры на 16%, в то время как расчет при помощи классической теории нагрева дал превышение на 32% - в продолжительном режиме работы, и при повторно-кратковременном режиме работы разница между расчетным и экспериментальным значением превышения температуры нагрева в конце времени работы составила 1 и 12% для предлагаемого и классического методов соответственно.

5. Расчет необходимой номинальной мощности электродвигателя рабочей машины на примере автомобилеподъемника при помощи предложенной методики показал, что по условию нагрева возможна установка электродвигателя меньшей номинальной мощности по сравнению с имеющейся. Так, результаты экспериментов, проведенных на ОАО «Челябинский комбинат хлебопродуктов №1», показали, что установленную мощность электродвигателей автомобилеподъемников возможно снизить с 15 до 11 кВт.

6. Отношение значений температуры обмотки статора, рассчитанных по предлагаемой методике, к экспериментальным значениям, не зависит от продолжительности включения электродвигателя. На это отношение влияет главным образом значение мощности на валу.

7. Применение новой методики дает возможность выбирать электродвигатели ближайшей меньшей мощности (с последующей проверкой температуры обмотки статора) или увеличивать допустимое количество циклов работы по сравнению с классической теорией.

8. Технико-экономический расчет показал целесообразность применения предлагаемой методики, так как среднее значение превышения приведенных затрат при применении существующей методики по отношению к предлагаемой, для всего диапазона сравниваемых мощностей, составило 23 %.

При дальнейшем развитии исследований следует предусмотреть возможность применения предлагаемой методики при переменной нагрузке электродвигателей, и при понижении и асимметрии напряжения питающей сети.

Результаты проведенных исследований докладывались на научных конференциях ЧГАУ в 2002 - 2004 г.г., на международной научно-практической конференции ИжГСХА в 2003г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Злыднев, Павел Владимирович, 2005 год

1. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М. - Л., Госэнергоиздат, 1963. - 772 с.

2. Кондратенков Н.И., Антони В.И., Ермолин М.Я. Электропривод сельскохозяйственных машин: Учебное пособие. Челябинск, 1999. - 178 с.

3. Фоменков А.П. Электропривод сельскохозяйственных машин, агрегатов и поточных линий. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1984. -288 с.

4. Подъемно транспортные машины / В.В. Красников, В.Ф. Дубинин, В.Ф. Акимов и др. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987. -272 с.

5. Зуев Ф.Г. Подъемно-транспортные машины зерноперерабатывающих предприятий. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 320 с.

6. Сырых Н.Н. Эксплуатация сельских электроустановок. М.: Агропромиздат, 1986. - 255 с.

7. Синайский М.М. О нагреве асинхронного двигателя при повторно-кратковременном режиме. Вестник электропромышленности, 1956, №1.

8. Большаков А.А. Исследование влияния среды животноводческих ферм на основные характеристики изоляции электродвигателей: Дис. . канд. техн. наук. Челябинск, 1968. - 186 с.

9. Третьякова Н.В., Новогренко Г.У., Хопова И.П. Влияние температуры окружающего воздуха на нагревание короткозамкнутых асинхронных двигателей серии AM, MA 140, МАФ. Электротехника, 1965, №2.-с. 5-10.

10. Бакумов Ю.В., Пеккер М.Л., Ролик А.И., Травкина Т.Н., Яковлев А.И. Влияние температуры окружающей среды на тепловое состояние оребренных асинхронных двигателей. Электротехника,!974,№3. - с.24 - 29.

11. Бак С.И., Байрамов X. Тепловые характеристики электродвигателей при колебании температуры окружающей среды. Изв. АН ТССР, 1969, №3. -с. 9-14.

12. Бак С.И. Влияние температуры окружающей среды на нагревание асинхронных двигателей при отклонениях от номинального режима: Тр. Уфим. авиац. ин-та, 1970, вып. 12. с. 40 - 44.

13. Большаков А.А. Влияние относительной влажности воздуха на нагревание асинхронных короткозамкнутых двигателей. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1969, №11. -с. 40-45.

14. Борисенко А.И., Литовский Е.И. Методика теплового расчета закрытых электродвигателей типа МА-36. — Вестник электропромышленности, 1957, №8. с. 40 - 44.

15. Жадан В.А. Исследование вентиляции и нагрева закрытых обдуваемых асинхронных двигателей мощностью 0,6 20 кВт: Дис. . канд. техн. наук. - Томск, 1969. - 165 с.

16. Ксенз Н.В. К методике определения температуры обмоток статора асинхронных электроприводов: Новое в методах испытания тракторов и сельскохозяйственных машин. М., 1972. - с. 42 - 46.

17. Ксенз Н.В., Михальчук А.Н. Определение установившегося превышения температуры обмотки электродвигателя: Вопросы механизации и электрификации сельскохозяйственного производства. Зелиноград, 1974, вып. 17.-с. 42-43.

18. Петров Т.Д. Исследование нагрева асинхронного двигателя: Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев, 1971. - 185 с.

19. Шпилысо Г.Я., Согин Г.В. Работа асинхронного короткозамкнутого электродвигателя при низких температурах окружающей среды. -Электричество, 1959, №3. с. 15-18.

20. Коробов В.К., Сороко П.А., Блудов М.Г. Зависимость постоянной времени нагрева электрических машин от нагрузки. Взрывобезопасное электрооборудование. - вып. 5. - М.: Энергия, 1967. - с. 40 - 45.

21. Шевчук С.Н. Нагрев короткозамкнутого асинхронного двигателя при нагрузках, отличных от номинальных: Тр. Горькое, политех, ин-та, 1963, №19.-с. 3-6.

22. Уриновский Д.С. Нагревание обмоток асинхронных двигателей при работе в условиях повышенных температур: Тр. ВНИИ электромеханизации, 1971, №36.-с. 40-45.

23. Аронов Р.Л. Нагревание электродвигателей при повторно-кратковременном режиме работы. Электричество, 1950, №10.

24. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 320 с.

25. Басов А.М., Шаповалов А.Т., Кожевников С.А. Основы электропривода и автоматическое управление электроприводом в сельском хозяйстве. М.: Колос, 1972. - 344 с.

26. Михеев M.JL, Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.-320 с.

27. Филиппов И.Ф. Основы теплообмена в электрических машинах. -Л.: Энергия, 1974. 384 с.

28. Постников И.М. Проектирование электрических машин. — Киев: Гостехиздат УССР, 1960. 910 с.

29. Счастливый Г.Г. Нагревание закрытых асинхронных двигателей. -Киев: Наукова думка, 1966. 196 с.

30. Альтшуль А.Д., Киселев П.В. Гидравлика и аэродинамика. М.: Госстройиздат, 1965. - 273 с.

31. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов/ И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова. -М.: Энергия, 1980. 496 с.

32. Асинхронные двигатели общего назначения/ Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др.; Под ред. В.М. Петрова и А.Э. Кравчика. М.: Энергия, 1980.-488 с.

33. Шуйский В.П. Расчет электрических машин. JL: Энергия, 1968.732 с.

34. Костенко М.П. Электрические машины. Спецчасть. М.: Госэнергоиздат, 1949. - 324 с.

35. Некрасов О.А., Шевченко В.В., Рекус Г.Г. Расчет перегрева асинхронных машин по методу тепловых параметров. Изв. вузов. Энергетика, 1964, №1. - с. 40 - 46.

36. Суйский П. А. Исследование нагрева асинхронных короткозамкнутых двигателей серий А и АО мощностью от 0,6 до 100 кВт при продолжительном режиме работы. Электричество, 1958, №9. -с. 35-38.

37. Ильинский Н.Ф., Ипатенко В.Н. Тепловые модели электродвигателей в неноминальных циклических режимах. -Электричество, 1984, №7. с. 37 - 41.

38. Папин Б.Д., Синева Г.Н. Расчет температуры охлаждения (нагрева) электродвигателей на основе математической модели нестационарной теплопроводности цилиндра конечной длины. Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2003, №36.

39. Папин Б.Д., Корниенко B.C., Пенской Д.А. Трехслойная тепловая модель электродвигателя и ее анализ. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2001, №10. - с. 20 - 22.

40. Новиков П.И., Проурзин В.А. Экспресс-метод идентификации тепловых параметров электрической машины при испытаниях на нагревание. Электричество, 2001, № 1. - с. 19 - 23.

41. Левинтов С.Д. О предварительном выборе двигателей по мощности для электроприводов повторно-кратковременного режима работы. — Изв. вузов. Электромеханика, 1991, №10. с. 100-103.

42. Сырых Н.Н. Повышение надежности электрифицированных технологических процессов. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1985, №8. - с. 46 - 50.

43. Ерошенко Г.П. Повышение эффективности эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве: Дис. . док. техн. наук. -Саратов, 1984.-390 с.

44. Тлеухов А.Х. Применение различных устройств защиты электродвигателей в сельскохозяйственном производстве/ Тр. Целиноград, с.-х. ин-та. 1979. - том 22. - с. 71 - 75.

45. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с.

46. Дергач В.И. К методике определения нагрева асинхронного двигателя опытным путем/ Тр. ЧИМЭСХ. Вып. 106. - Челябинск, 1975. - с. 68 - 72.

47. Кулебякин B.C. Испытания электрических машин и трансформаторов. М. - Л.: Объединенное научно-техническое изд-во, 1935. -840 с.

48. Веденяшш Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. - 199 с.

49. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов/ Под ред. О.Д. Гольдберга. М.: Высш. шк., 1984.-431 с.

50. Турин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

51. Сорокер Т.Г. Многофазный асинхронный двигатель. Многофазный асинхронный преобразователь частоты. Поверочный расчет. — Труды ВНИИЭМ, 1959, т. 3, с. 112.

52. Граматович Э.К. Исследование влияния режимов работы электродвигателей животноводческих ферм на срок их службы: Дис. . канд. техн. наук. Челябинск, 1975. - 222 с.

53. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. М. -JL: Госэнергоиздат, 1961. - 264 с.

54. Борисенко А.И., Травкина Т.Н., Яковлев А.И. Расчет нагрева закрытых оребренных двигателей: Тр. Харьков, авиац. ин-та/ Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах и аппаратах, 1973. Вып. 3. -с. 8-12.

55. Енько В.В., Лебедев П.Ф. Исследование теплоотдачи в электрических машинах. Электричество, 1950, №1. - с. 8 -13.

56. Яковлев А.И., Тубис Я.Б., Фанарь М.С. Тепловой расчет асинхронных электродвигателей с аксиальной системой вентиляции. — Электротехническая промышленность. Электрические машины, 1972, вып. 1(11), с. 17.

57. Копылов Ю.В. Исследование нагрева и тепловых параметров асинхронных двигателей малой мощности при работе в продолжительном и повторно-кратковременном режиме: Дис. . канд. техн. наук. Томск, 1974. -180 с.

58. Кассандрова О.Н., Лебедев В.П. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970. 104 с.

59. Электротехнический справочник. Т. I. ГЭИ, М.-Л., 1962. - 480 с.

60. Гуревич Э.И. Тепловые испытания и исследования электрических машин. Л.: Энергия, 1977. - 296 с.

61. Механизация разгрузки зерна / Коньков П.М. и др. М.: Колос, 1972.-112 с.

62. Водянников В.Т. Экономическая оценка энергетики АПК. М.: ИКФ «ЭКМОС», 2002. - 304 с.

63. Тойбер Т. Оценка точности результатов измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1988. 112 с.

64. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. JL: Энергия, 1978. -296 с.

65. Дергач В.И. Повышение надежности электродвигателей сельскохозяйственного производства при капитальном ремонте: Дис. . канд. техн. наук. Челябинск, 1988. - 206 с.

66. Грачев Г.М., Злыднев П.В. Обоснование оптимальной по нагреву мощности электродвигателей сельскохозяйственных машин, работающих в повторно-кратковременном режиме. Тезисы докладов к XLI научной конференции, Челябинск, 2002.

67. Злыднев П.В., Грачев Г.М. Расчет температуры нагрева элементов электродвигателя. Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2003, №38.

68. Грачев Г.М., Антони В.И., Злыднев П.В. Расчет температуры нагрева и охлаждения электрического двигателя в повторно-кратковременном режиме работы. Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2003, №39.

69. Грачев Г.М., Злыднев П.В. Теплоотдача электродвигателя в повторно-кратковременном режиме. Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2003, №39.

70. Злыднев П.В. Упрощенный способ расчета температуры нагрева элементов электродвигателя в повторно-кратковременном режиме работы. -Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2004, №41.

71. Злыднев П.В. Математические модели нагрева электродвигателя. -Вестник ЧГАУ, Челябинск, 2004, №41.

72. Грачев Г.М., Злыднев П.В. Определение мощности электродвигателя в повторно-кратковременном режиме работы. Техника в сельском хозяйстве, Москва, 2004, №5.